KR20060024785A - 브레이징 열교환기 제조 방법 및 장치 - Google Patents

브레이징 열교환기 제조 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

금속벽의 대향 측면에 의해 형성되는 비등 통로와 냉각 통로를 구비하는 열교환기가 개시되어 있다. 금속벽과 스페이서 부재 사이의 브레이징 재료층은 열교환기의 구성요소들을 함께 접합시킨다. 서로에 대해 그리고 금속벼의 비등 측면에 대해 접합되는 금속 입자를 포함하는 강화된 비등층(EBL)은 열전달을 향상시키도록 핵 비등 기공을 제공한다. EBL은 브레이징 재료의 용융 온도보다 높은 용융 온도를 갖는다. 또한, 열교환기를 조립하는 공정이 개시되어 있다.

Description

브레이징 열교환기 제조 방법 및 장치{METHOD FOR MAKING BRAZED HEAT EXCHANGER AND APPARATUS}
본 발명은 열전달 효율이 높은 금속 열교환기를 제조하는 개선된 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 강화된 비등면(enhanced boiling surface)을 포함하는 브레이징 열교환기를 제조하는 개선된 방법에 관한 것이다.
현재, 일반적으로 극저온, 정제 및 화학적 용례들에서 재비기(reboiler)-응축기에는 2가지 구성의 열교환기가 사용되고 있다. 현재 사용 중인 한가지 타입의 열교환기로는 수직 셸-관형 열교환기(vertical shell and tube heat exchanger)가 있다. 이 구성으로 비교적 낮은 온도차에서 충분히 높은 열전달을 얻기 위해서는, EBL(enhanced boiling layers;강화된 비등층)이 사용된다. EBL은 통상 비등을 용이하게 하기 위하여 비등 핵 장소를 제공하는 복수 개의 기공을 포함하는 구조를 갖는다. EBL은 관의 내측에 부착되고, 관의 외측에는 열전달을 용이하게 하기 위하여 길이 방향 홈이 마련된다.
강화된 비등층은 먼저 미국 특허 제3,384,154호에서 열교환기에 제안되었다. 이 특허는 용제에서 플라스틱 바인더에 금속 분말을 혼합하고, 그 슬러리를 베이스 금속면에 도포하는 것을 개시하고 있다. 피복된 금속은 환원성 분위기에서 충분한 시간 동안 소정 온도로 가열되어, 금속 입자들이 함께 베이스 금속면에 소결된다. 미국 특허 제3,457,990호는 오목홈이 기계적으로 또는 화학적으로 내부에 형성된 강화된 비등면을 개시하고 있다.
EBL을 부착하는 다른 방법들이 개시되어 있다. 영국 특허 제2 034 355호는 유기 발포층을 금속 열전달 부재에 부착하고 발포층을 먼저 무전해 도금에 의해 그 다음에 전기 도금에 의해 구리 등의 금속으로 도금하는 것을 개시하고 있다. 미국 특허 제4,258,783호는 열전달 표면에 기계적으로 오목부를 형성한 다음에, 오목한 표면에 금속을 전기 도금하는 것을 개시하고 있다. 영국 특허 제2 062 207호는 분말 불꽃 용사에 의해 금속 베이스에 금속 입자를 부착하는 것을 개시하고 있다. 유럽 특허 제303 493호는 금속과 플라스틱 재료의 혼합물을 불꽃 또는 플라즈마 용사에 의해 베이스 금속 상에 용사하는 것을 개시하고 있다. 미국 특허 제4,767,497호와 미국 특허 제4,846,267호는 석출물을 생성하도록 알루미늄 합금 플레이트를 열처리하고 그 석출물을 화학적으로 에칭 처리하여 오목한 표면을 남기는 것을 개시하고 있다. 유럽 특허 제112 782호는 브레이징 합금과 구형 입자의 혼합물을 금속벽에 도포하고 피복된 벽을 가열하여 브레이징 재료를 용융하는 것을 개시하고 있다.
극저온, 정제 및 화학적 용례들에 사용되는 일반적인 열교환기는 복수 개의 유로를 형성하도록 알루미늄 분리 시트들 또는 벽들 사이에 주름형 알루미늄 시트를 배치함으로써 제조되는 플레이트-핀 브레이징 알루미늄 열교환기이다. 상기 시트는 알루미늄 브레이징층으로 피복되거나 브레이징 포일층이 접합될 표면들 사이 에 삽입된다. 예정된 기간 동안 예정된 온도로 가열되면, 브레이징 포일 또는 피복 용융물이 인접한 시트들과 야금 접합을 형성한다. 그 결과적인 열교환기는 밀접하게 간격을 두고 있는 핀들의 교호층으로 이루어지는 다수의 통로를 포함한다. 핀을 각각 수용하는 통로의 교호층의 통상적인 구조는 6 내지 10 핀/cm(15 내지 25 핀/inch)의 밀도와, 0.5 내지 1 cm(0.2 내지 0.4 inch)의 핀 높이를 갖는다. 일반적인 용례에서, 일련의 제1 교호 통로는 응축용 증기를 운반하고, 일련의 제2 교호 통로는 비등용 액체를 운반한다. 통상적인 브레이징 알루미늄 열교환기는 2068 내지 2758 kPa(300 내지 400 psia)를 견딜 수 있어야 한다.
브레이징 열교환기의 비등 통로에서 핀을 강화된 비등층으로 대체하는 것을 제안하는 특허들로는 미국 특허 제5,868,199호, 제4,715,431호 및 제4,715,433호가 있다. 이들 특허는 알루미늄 시트를 각각 일측면에 도포된 EBL과 적층하여 비등 채널을 형성하고, 알루미늄 시트의 타측면에 핀과 적층하여 응축 채널을 형성하는 것을 제안하고 있다. 브레이징 재료층은 스택에서 비등면들 사이에 배치되고, 스택을 소정 기간에 걸쳐 가열하여 브레이징 열교환 코어를 얻는다. 이들 특허에 개시된 그러한 브레이징 알루미늄 열교환기는 상품화되지 못하였고, EBL은 통상 565℃ 내지 593℃(1050℉ 내지 1100℉)에서 브레이징되는 반면에, 금속 구성요소들의 후속 브레이징은 약 593℃ 내지 621℃(1100℉ 내지 1150℉)에서 함께 일어난다. 브레이징을 실행하기 위한 고온의 제2 열처리 중에, EBL의 무결성 및 유효성의 유지, 특히 상호 접합된 금속 입자들에 의해 제공되는 기공 구조의 유지는 어려운 일이었다. 이러한 어려움이 비등 통로에 EBL이 있는 상업적으로 유용한 브레이징 열 교환기가 없는 원인이 된다.
본 발명은 브레이징 금속 열교환기를 제조하는 개선된 방법 및 결과적인 장치에 관한 것이다. 강화된 비등층(EBL)이 비등 통로의 벽 상에 마련된다. 브레이징 재료의 용융 온도는 강화된 비등층에서 금속 입자의 용융 온도보다 낮다. 실시예에 있어서, 강화된 비등층 및/또는 브레이징층의 금속은 제1 금속과, 이 제1 금속보다 용융 온도를 더 낮게 하는 제2 금속의 합금이다. 제2 금속이 더 낮은 용융 온도를 갖는 합금을 제공하는 한 EBL 및 브레이징 재료에 다른 제2 금속이 사용될 수 있다. 실시예에 있어서, 브레이징 재료에서의 제2 금속의 농도는 EBL에서보다 크다. 따라서, 연장된 기간 동안 브레이징 온도가 EBL에서의 금속의 용융점의 8.3 ℃(15 ℉) 내에 있더라도, EBL은 예기치않게 그 기공율을 유지하고, 이에 따라 그 효율을 유지한다. 실시예에 있어서, 응축 통로는 열전달을 용이하게 하기 위하여 핀을 포함한다.
본 발명의 목적은 제조 중에 브레이징 온도에 있더라도 열전달 능력이 감소되지 않는 EBL을 비등 통로에 갖는 금속 열교환기를 제공하는 것이다.
도 1은 3개의 열교환기의 사시도.
도 2는 내부를 드러내도록 층이 파단된, 도 1의 열교환기의 코어의 사시도.
도 3은 도 1의 열교환기 코어의 사시도이지만, 도 2와 다른 원근법으로 취한 도면.
본 발명의 방법은 셸 및 관을 비롯하여 브레이징에 의해 열교환기의 임의의 형태를 구성하는 데에 사용될 수 있지만, 플레이트 열교환기에 가장 적절하게 적용될 수도 있다. 본 발명의 열교환기의 비등 통로 및 냉각 통로는 직교류(cross flow), 역류(counter-current flow) 또는 병류(cocurrent flow)를 제공하도록 배향될 수 있다. 또한, 본 발명의 열교환기는 극저온 공기 분리, 탄화수소 처리 또는 열교환을 실행하기 위하여 비등에 의존하는 임의의 다른 공정 상황에 적용될 수 있다. 열교환기를 구성하는 데에 몇몇 타입의 금속이 사용될 수 있다. 열교환기를 브레이징하는 데에는 알루미늄이 가장 널리 사용되는 금속이다. 알루미늄은 저온에서 취성에 저항하기 때문에 극저온 용례에 적합하다. 알루미늄에 부식성일 수 있는 유체를 가열 또는 냉각하는 데에 강 또는 구리가 사용될 수도 있다. 예시를 위해, 극저온 공기 분리 상황에 유용한 역류형 알루미늄 플레이트 열교환기에 관하여 본 발명을 설명하기로 한다.
도 1은 극저온 공기 분리에 사용되는 통상적인 플레이트 열교환기(10)의 열을 도시하고 있다. 열교환기(10)에는 교호적인 비등 통로(12)와 냉각 통로(14)가 코어(20)에 마련되어 있다. 액상 산소 등의 액체가 도관(16)에 의해 매니폴드(18)로 운반되어 비등 통로(12)로 분배된다. 비등 통로(12)의 바닥에서의 열 사이펀(thermosiphon)과 같이 코어(20) 아래의 도관(16) 또는 매니폴드(18) 이외의 수단에 의해 액체가 비등 통로(12)로 운반되는 것이 예상된다. 또한, 아마도 분배 핀을 구비할 수 있는 분배망을 통해 코어(20)의 측면 또는 상단으로부터 액체가 비등 통로(12)로 운반될 수도 있다. 액체는 비등 통로(12)에서 비등함으로써, 냉각 통로(14)로부터 전도되는 열을 간접적으로 취출한다. 비등 통로(12)로부터의 기상 산소는 헤더(22) 등에 의해 수집되어 도관(24)을 통해 제거된다. 열 사이펀 구조에 마련될 수 있는 것과 같이 코어(20) 상부의 도관(24) 또는 헤더(22) 이외의 수단에 의해 비등 통로(12)로부터의 가스 수집이 예상된다. 또한, 아마도 수집 핀을 구비할 수 있는 수집망을 통해 코어(20)의 측면 또는 상단으로부터 비등 통로(12)에서 가스가 수집될 수도 있다. 도관(26)에 의해 매니폴드(28)로 기상 질소 등의 유체가 운반되어 냉각 통로(14)로 분배된다. 도관(26) 또는 매니폴드(28) 이외의 수단에 의한 운반이 또한 예상된다. 액체 또는 가스가 냉각 통로(14)에서 냉각될 수 있다. 더욱이, 냉각 통로(14)로 가스가 운반되면, 공정의 필요성에 따라 온도 변화와 함께 또는 온도 변화 없이 상 변화를 초래할 정도의 범위로 가스가 냉각될 수 있다. 비등 통로(12)에서의 비등을 원조하도록 냉각 통로(14)와 비등 통로(12) 사이의 벽을 가로질러 전도되는 열은 냉각 통로(14) 내의 유체를 냉각시킴으로써, 공기 분리의 경우에 질소 가스를 응축시킨다. 냉각 통로(14)로부터의 액화 질소 등의 유체는 헤더(30) 등에 의해 수집되어 도관(32)을 통해 제거된다. 헤더(30)와 도관(32) 이외의 수단에 의해 냉각 통로(14)로부터 냉각된 유체의 수집이 예상된다. 또한, 도 1의 실시예에 도시된 운반 및 수집 매니폴드와 도관은 본 발명의 범위 내에서 변경되어 유지될 수도 있다.
도 2는 내부를 드러내도록 일부가 파단된 열교환기(10) 중 하나의 코어(20)를 도시하고 있다. 코어(20)의 양단부에는 캡 시트(40)가 배치되어 각 단부 상의 마지막 채널을 형성한다. 도 2에 도시된 캡 시트(40)의 일부는 비등 통로(12)를 드러내도록 파단되어 있다. 캡 시트(40)의 대향 에지 사이에 수직 스페이서 바아 또는 스페이서 부재(42)가 배치되고, 비등 측면(44a)이 있는 금속벽(44)은 강화된 비등층(EBL; 46)으로 덮여 있다. EBL(46)은 비등 측면(44a)에 그리고 서로 접합되어 핵 비등 장소가 제공되는 기공 구조를 형성하는 열전도성 입자를 포함한다. 상기 열전도성 입자는 실시예에서 금속 입자이다. 따라서, 캡 시트(40)의 내표면, 수직 스페이서 바아(42)의 내측 에지 및 금속벽(44)의 비등 측면에 의해 비등 통로(12)가 형성된다. 비등 측면(44a)의 외측 수직 가장자리(48)는 접합면을 제공하기 위해 EBL(46)이 전혀 없다. 증기는 비등 출구(49)를 통해 비등 통로(12)를 빠져나가서, 도 1의 실시예에 도시된 비등 헤더(22)에 의해 수집될 수 있다. 또한, 열전달을 더욱 용이하게 하기 위하여 비등 통로(12)가 핀을 포함할 수도 있다는 것이 예상된다. 파단된 금속벽(44)과 수직 스페이서 바아(42)의 뒤쪽에는 일차 핀 스톡(54)의 주름형 시트를 갖는 일차 핀(52)을 포함하는 냉각 통로(14)가 있다. 일차 핀(52)은 냉각 통로(14)의 양단부에 있는 수직 스페이서 바아(42)의 내측 에지들 사이에서 측방으로 연장된다. 분배 핀 스톡(58)을 포함하거나 일차 핀 스톡(54)과 일체화되는 분배 핀(56)은 경사진 형태로 배치되어 냉각 입구(50)로부터의 냉각 유체를 일차 핀(52)에 의해 제공되는 채널의 상단을 따라 균일하게 분배한다. 도 2의 실시예에 있어서, 냉각 유체는 도 1의 실시예에 도시된 바와 같이 냉각 매니폴드(28)로부터 나올 수 있는 냉각 입구(50) 내로 수용된다. 냉각 유체를 분배하기 위하여 핀이 있거나 없는 다른 타입의 분배 구성이 사용될 수도 있다. 다른 실시 예에 있어서, 냉각 입구(50)는 일차 핀(52)에 의해 제공되는 채널의 상단을 고려할 수도 있다. 일차 핀(52)의 상단을 예시하기 위하여, 도 2에는 분배 핀(56)의 1 세트만이 도시되어 있다. 수집 핀(66)에 의해 형성될 수 있는 냉각 출구(64)는 냉각된 유체가 코어(20)에서 배출되게 한다. 도 2의 실시예에 있어서, 냉각 유체는 도 1의 실시예에서의 냉각 헤더(30) 내로 들어갈 수 있는 냉각 출구(64)를 통해 배출된다. 수평 스페이서 바아(60)는 냉각 통로(14)의 상단과 바닥을 밀봉한다. 스페이서 바아(42, 60)와 핀(52, 56, 66)은 인접한 금속벽(44)의 냉각 측면(44b)으로부터 금속벽(44)의 냉각 측면(44b; 대향 측면)을 일정 간격을 둔다. 실시예에 있어서, 비등 통로(12) 내외로 유체의 유입과 배출을 각각 가능하게 하도록, 비등 통로(12) 내에는 수평 스페이서 바아(60)가 마련되지 않는다. 따라서, 수직 스페이서 바아(42)는 인접한 금속벽(44)의 각 쌍의 대향 단부들 사이에 끼워지지만, 수평 스페이서 바아(60)는 인접한 냉각 측면(44b) 사이에만 끼워진다. 그러나, 핀(52, 56, 66)이 작동 압력을 견디도록 적절히 배치되어 접합되면, 스페이서 바아(42, 60)가 냉각 통로(14)의 냉각 측면(44b) 사이에서 생략될 수 있다는 것이 예상된다. 따라서, 핀(52, 56, 66)은 간격 기능을 제공한다. 금속벽(44)은 교호적인 배향을 갖는다. 캡 시트(40)에 인접하는 경우를 제외하고, 금속벽(44)의 냉각 측면(44b)은 항상 인접한 벽의 냉각 측면(44b)과 대면하고, 금속벽의 비등 측면(44a)은 항상 인접한 금속벽(44)의 비등 측면(44a)과 대면한다. 또한, 실시예에 있어서, 냉각 통로(14)가 핀을 포함하지 않고 비등 통로(12)에 핀이 구비되는 것이 예상된다.
도 3은 코어(20)의 바닥을 도시하는 원근법으로 도 2의 코어(20)를 도시하고 있다. 도 3에서 볼 수 있는 도 2의 모든 요소들은 번호를 부여하였다. 또한, 비등 통로(12)에 대한 비등 입구(51)가 도시되어 있다. 실시예에 있어서, 비등 입구(51)는 비등 매니폴드(18; 도 1)로부터 비등 액체를 받을 수 있다. 더욱이, 캡 시트(40)의 바닥과 제1 금속벽(4)은 제3 핀 스톡(68)으로부터 수집 핀(66)을 드러내도록 파단되어 있다. 제3 핀 스톡(68)을 구비하거나 일차 핀 스톡(54)과 일체화되어 있는 수집 핀(66)은 경사진 형태로 배치되어 일차 핀(52)에 의해 제공되는 채널의 바닥을 따라 냉각 출구(64)로부터 냉각 유체를 균일하게 수집한다. 냉각 유체를 수집하는 데에 핀이 있거나 없는 다른 타입의 수집 구성이 사용될 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 냉각 출구(64)는 일차 핀(52)에 의해 제공되는 채널의 바닥을 고려할 수도 있다. 일차 핀(52)의 바닥을 예시하기 위해, 수집 핀(66)의 1 세트만이 도 3에 도시되어 있다.
비등 측면에는 당업계에 공지된 임의의 방법, 예컨대 슬러리 도포, 불꽃 용사, 플라즈마 용사 또는 전기 도금에 의해 EBL이 추가된다. 그러나, 일단 부착되면 후속의 브레이징 단계가 EBL의 열교환 효율을 경감시키지 않는 것이 중요하다. 실시예에 있어서, EBL의 용융점은 브레이징 금속의 용융점보다 높다. 브레이징 금속과 EBL의 상대적인 용융점은 제1 금속의 용융점보다 낮은 합금의 용융점을 제공하는 효과를 갖는 제1 금속과 제2 금속을 합금함으로써 달성될 수 있다. 제2 금속의 농도는 EBL 재료에서보다 브레이징 금속에서 높을 수 있어, EBL은 브레이징 단계를 구조적 무결성을 잃지 않으면서 견딜 수 있는 더 높은 용융점을 갖는다. 브레이징 알루미늄 열교환기에 있어서, 알루미늄이 제1 금속이고, 실리콘, 망간, 마 그네슘 또는 그들의 합금이 제2 금속일 수 있다. 브레이징 강 열교환기에 있어서는, 니켈이 제1 금속이고, 인이 제2 금속일 수 있다. 브레이징 구리 열교환기에 있어서는, 구리가 제1 금속이고 인이 제2 금속일 수 있다.
구리가 EBL과 브레이징 재료를 제공하도록 사용되는 제2 금속인 경우에, 브레이징은 구리의 용융 온도보다 100℃(180℉) 낮은 온도에서 또는 960℃(1760℉)에서 일어난다. 알루미늄이 제1 금속인 경우에, 브레이징은 649℃(1200℉)의 용융 온도보다 49℃ 내지 54℃(120℉ 내지 130℉) 낮은 온도에서 일어난다. 니켈이 제1 금속이면, 노에서의 브레이징 단계는 강의 용융 온도보다 38℃(100℉) 낮은 1037℃(1900℉)의 온도에서 일어난다. 이들 온도에서, 제2 금속은 제1 금속과 함께 합금의 용융점을 저하시킨다. 액화 브레이징 금속은 베이스 금속으로 유동 및 확산되어 야금 접합을 형성한다. EBL 재료보다 브레이징 재료에서 제1 금속과 보다 많은 제2 금속을 합금함으로써, 일단 부착된 EBL은 후속하는 더 낮은 온도의 브레이징 열처리를 견딜 수 있게 된다.
또한, 브레이징 대신에 EBL을 형성하는 데에 소결이 사용될 수 있다는 것이 예상된다. 소결시에, 금속은 분자 교반점으로 가열되어 비교적 긴 기간에 걸쳐 인접한 금속으로 확산됨으로써 야금 접합을 형성한다. 열교환기의 구성요소들을 함께 접합하도록 소결을 사용하여 더 낮은 온도에서 EBL에 브레이징을 제공할 수 있다.
실시예에 있어서, EBL을 부착하는 제1 단계는 금속벽의 비등 측면에 폴리머 바인더를 도포하는 것이다. 이어서, 제1 금속과 제2 금속을 포함할 수 있는 금속 분말을 플라스틱 바인더 상에 뿌린다. 플라스틱에 의해 경계를 이루는 금속 분말을 갖는 금속벽을 질소 등의 불활성 분위기로 둘러싸고, 그 온도를 금속 분말 입자 서로에 대해 그리고 금속벽의 비등 측면에 대해 금속 분말 입자 사이에 야금 접합을 실행하기에 충분한 시간 동안 브레이징 온도로 상승시킨다. 플라스틱 바인더는 열에 의해 분해되어 증발된다. 순환하는 불활성 가스는 산화막 형성을 감소시키고, 또한 바인더 재료로부터의 분해 가스를 정화시킨다. 접합된 금속 분말은 EBL에 핵 비등 장소를 제공하는 고도의 다공성의 3차원 매트릭스를 형성한다.
적절한 플라스틱 바인더로는, 폴리이소부틸렌과, 적어도 4000 cps의 점성을 갖고 METHOCEL로서 시판되는 폴리메틸셀룰로우즈와, 90,000의 분자량을 갖는 폴리스티렌이 있다. 바인더는 적절한 용제, 예컨대 폴리이소부틸렌과 폴리메틸셀룰로우즈 바인더의 경우 케로신(kerosene) 또는 사염화탄소, 폴리스티렌 바인더의 경우에 크실렌 또는 톨루엔에서 용해될 수 있다. 비등 측면은 이 비등 측면에 대한 EBL의 적절한 접합을 얻기 위하여 그리스, 오일 또는 산화물이 없도록 세척되어야 한다. 플라스틱 용액을 도포하기 전에 비등 측면은 습윤을 용이하게 하기 위하여 플라스틱 용액으로 잠기게 함으로써, 플라스틱 바인더의 더욱 균일한 분배를 달성한다. 플라스틱 용액은, 예컨대 용사, 침지, 솔질 또는 페인트 롤링에 의해 균일한 층을 얻는 방식으로 비등 측면에 도포될 수 있다. 도포 후에, 상기 층은 용제의 대부분을 증발시키도록 금속 분말의 도포 동안 또는 도포 후에 공기 중에서 건조된다. 금속 분말과 바인더의 자체 지지형 고형층이 금속벽 상의 적소에 바인더에 의해 남게 된다.
제1 및 제2 금속을 포함하는 금속 분말은 플럭스와 혼합된다. 가열시에, 플럭스는 용융되어, 금속 입자의 서로에 대한 그리고 비등 측면에 대한 접합을 방해할 수 있는 산화물을 금속으로부터 추출한다. 플럭스는 광염(mineral salt), 예컨대 KAlF4와 KAlF6의 혼합물인, 시판 중인 불화 알루미늄 칼륨일 수 있다. 다른 플럭스가 적절할 수도 있다.
열교환기(10)의 코어(20)는 구성요소의 층들을 적층시킴으로써 조립된다. 코어(20)의 브레이징이 진공로에서 수행되지 않으면, 각 구성요소는 적층 전에 플럭스로 피복되어야 한다. 구성요소들을 플럭스 성분으로 피복하는 적절한 방법은 플럭스를 변성 알콜과 1:1 체적비로 혼합하고, 적층 전에 구성요소 상에 플럭스 용액을 솔질 또는 분무하는 것이다. 적층 순서는 도 2 및 도 3에 도시된 측면에서 설명될 것이다. 캡 시트(40)는 이 캡 시트의 외표면을 아래로 하여 적층면의 바닥에 위치된다. 브레이징 포일층은 적어도 캡 시트(40)의 내표면의 2개의 수직 가장자리(48) 상에 또는 아마도 캡 시트(40)의 전체 내표면에 걸쳐 적층된다. 캡 시트(40)의 내표면의 수직 가장자리(48) 상에는 수직 스페이서 바아(42)가 적층된다. 캡 시트(40)의 수직 가장자리(48)에만 브레이징 포일이 제공될 수 있는데, 그 이유는 이 경우에 수직 스페이서 바아(42)만이 비등 통로(12)를 형성하는 캡 시트(40)의 내표면에 브레이징되기 때문이다. 통상, 비등 통로(12)에서는 수평 스페이서 바아(60)가 적층되지 않는다. 그러나, 실시예에 있어서, 캡 시트(40)가 냉각 통로(14)를 형성한다면, 수평 스페이서 바아(60)가 캡 시트(40)에 적층되어 브레이징되 어야 한다. 브레이징 포일층이 수직 스페이서 바아(42)의 상단에 적층된다. 수직 스페이서 바아(42)의 바로 위에는 브레이징 포일의 스트립이 위치될 수 있다. 캡 시트(40)를 향해 하방으로 대면하는 비등 측면(44a)과 상방으로 대면하는 냉각 측면(44b) 상에 EBL(46)을 갖는 금속벽(44)이 수직 스페이서 바아(42)의 상단 상에 적층된다. EBL(46)이 전혀 없는 비등 측면(44a)의 수직 가장자리(48)는 수직 스페이서 바아(42)의 상단에 있는 브레이징 포일 상에 안착된다. 브레이징 포일층은 금속벽(44)의 냉각 측면(44b)의 상단에 놓인다. 일차 핀(52)을 포함하는 일차 핀 스톡(54)과, 분배 핀(56)을 포함하는 분배 핀 스톡(58)과, 수집 핀(66)을 포함하는 수집핀 스톡(68)과, 수평 스페이서 바아(60)와, 수직 스페이서 바아(42)가 모두 금속벽(44)의 냉각 측면(44b)의 상단에 놓인 브레이징 포일층의 상단 상에 적층된다. 브레이징 포일층은 일차 핀 스톡(54)과, 분배 핀 스톡(58)과, 수집 핀(66)을 포함하는 수집 핀 스톡(68)과, 스페이서 바아(42, 60) 상에 놓인다. 다음에, 하방으로 대면하는 냉각 측면(44b)과 상방으로 대면하는 비등 측면(44a)을 갖는 다른 금속벽(44)이 브레이징 포일층 상에 놓인다. 금속벽(44)의 상단에는 브레이징 포일의 스트립이 EBL(46) 외측의 비등 측면(44a)의 수직 가장자리(48) 바로 내측에 눕혀 있다. 수직 스페이서 바아(42)는 수직 가장자리(48) 내측의 브레이징 포일의 스트립 상단에 눕혀 있다. 수직 스페이서 바아(42)의 상단에는 브레이징 포일의 스트립이 놓여 있다. 하방으로 대면하는 비등 측면(44a)이 있는 추가 금속벽(44)은 수직 스페이서 바아(42)의 상단에 있는 브레이징 재료의 스트립과 합치하는 수직 가장자리(48)과 함께 상단에 적층된다. 열교환기(10)의 코어(20)의 나머지는 캡 시트(40) 가 스택의 상단에 적층될 때까지 전술한 바와 같이 적층된다. 일차 핀 스톡(54)의 양측면, 스페이서 바아(42, 60) 및/또는 금속벽(44)의 냉각 측면(44b)이 브레이징 재료층과 일체로 피복될 수 있다. 이는 코어(20)를 구성하는 스택에서 브레이징 포일층을 추가할 필요성을 제거한다. 그러나, 핀 스톡(54, 58, 68) 및/또는 스페이서 바아(42, 60)가 양측면 상에 브레이징된 재료에 의해 달성될 수 있다면, 브레이징 포일의 사용을 피할 수 있다.
코어(20)가 완전히 스택된 후에, 코어는 불활성 가스 분위기를 갖는 노에 삽입되어 코어(20)의 중심 온도가 상승되도록 가열된다. 소정 기간 동안 상승된 온도에서 유지된 후에, 코어는 냉각이 허용된다. 상승된 온도는 브레이징 재료의 용융 온도 이상이고 도포시 EBL(46) 재료의 용융 온도와 베이스 금속의 용융 온도 미만이다. 실시예에 있어서, 상승된 온도는 도포 후에 EBL(46) 재료의 용융 온도 미만일 수 있다. 제어된 분위기의 브레이징 환경에서, 알루미늄 합금 4047이 브레이징 재료로 사용될 수 있고, 이 경우에 상승된 브레이징 온도는 약 607℃ 내지 618℃(1125℉ 내지 1145℉)이다. 본 명세서에 제공된 알루미늄 합금 명칭은 알루미늄 브레이징 분야의 당업자가 사용하는 종래의 합금에 준한다. 브레이징 재료는 용융되어 인접한 금속 부재와 야금 접합을 형성함으로써, 튼튼한 금속 열교환기 코어를 제공한다. EBL(46)은 고도의 다공성의 구조적 무결성을 유지한다. 코어(20)의 표면 상에 있는 나머지 플럭스는 유지될 수 있지만, 통상 동작에 영향을 주지 않으면서 세척될 것이다.
코어(20)를 함께 브레이징한 후에, 매니폴드(18, 28)와 헤더(22, 30)는 도 1 의 실시예에 도시된 바와 같이 코어(20)에 용접된다. 도관(16, 24, 26, 32)은 모두 적절한 매니폴드(18, 28) 또는 헤더(22, 30)에 고정된다. 도 1의 실시예에 도시된 것과 다른 운반, 분배, 수집 및 회수 장비가 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있다.
별법으로서, 브레이징 단계들 중 한쪽 또는 양쪽이 진공 오븐에서 일어날 수도 있다. 플럭스가 불필요해지고 통상 더 낮은 온도가 브레이징에 사용된다. 그러나, 진공 브레이징 공정에서는, 코어가 브레이징 온도에 도달하는 시간이 더 오래 걸리고, 그 후에 냉각이 허용된다. 적층된 코어가 진공 환경에서 브레이징되면, 알루미늄 합금 4104가 브레이징 재료로 사용될 수 있고, 이 경우에 상승된 브레이징 온도는 약 582℃ 내지 593℃(1080℉ 내지 1100℉)이다.
본 발명을 위해, EBL이 최종 브레이징 열처리를 견딜 수 있는 것이 중요하다. 브레이징 알루미늄 열교환기에서, 분말, 포일 또는 클래딩이든 아니든 브레이징 재료는 적어도 80 중량%의 알루미늄과 10 내지 15 중량% 실리콘의 공융 합금을 포함할 수 있다. 실시예에서, 공융 합금은 11 내지 13 중량%의 실리콘과 적어도 85 중량%의 알루미늄을 포함한다. 다른 실시예에서, 브레이징 공융 합금은 알루미늄 합금 4047이고, 12 중량%의 실리콘과 88 중량%의 알루미늄을 포함할 수 있다. 코어(20)의 다른 구성요소, 예컨대 벽, 핀 스톡 및 스페이서 바아는 98 중량%의 알루미늄과 2 중량%의 망간의 고도로 조화된 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 합금 3003을 포함할 수 있다. 알루미늄 합금 3003에는 소량의 마그네슘과 철이 또한 존재할 수도 있다. 상기 "고도로 조화된"이라는 말은 90 중량%보다 큰 것을 의 미한다. 거의 순수한 알루미늄 또는 고도로 조화된 알루미늄 합금을 포함하는 다른 구성요소들이 적합할 수도 있다. 진공 브레이징 용례에 있어서, 고도로 조화된 알루미늄 합금에는 1 내지 2 중량%의 마그네슘이 제공될 수 있다. EBL을 구성하는 재료는 0.5 내지 1.5 중량%의 실리콘과 적어도 95 중량%의 거의 순수한 알루미늄 또는 고도로 조화된 알루미늄 합금을 포함할 수 있다. 실시예에 있어서, EBL은 5 내지 11 중량%의 브레이징 재료와 적어도 85 중량%의 거의 순수한 알루미늄 또는 고도로 조화된 알루미늄 합금을 포함할 수 있다. 실시예에 있어서, EBL은 적어도 90 중량%의 순수하거나 고도로 조화된 알루미늄과, 11 내지 13 중량%의 실리콘과 적어도 85 중량%의 알루미늄을 포함하는 공융 합금을 구비한다. 실시예에 있어서, 분말 형태의 공융 합금은 분말 형태의 거의 순수하거나 고도로 조화된 알루미늄과 혼합된다. 비진공 브레이징 오븐 내에서 알루미늄의 산화를 방지하기 위하여, 5 내지 10 중량%의 분말형 광염을 포함하는 플럭스가 도포시 EBL 재료에 포함되어야 한다.
임의의 특정한 이론으로 한정되기를 바라지는 않지만, 전술한 분말형 EBL 재료 혼합물, 브레이징 공융 합금 분말은 용융되어, 실질적으로 용융되지 않은 고형의 알루미늄 분말을 습윤시킴으로써 합금을 형성한다. 도포 후에, 그 결과적인 EBL은 알루미늄 합금에서 실리콘 금속의 더 낮은 농도로 인해 브레이징 공융 합금보다 더 높은 온도에서 용융된다. 이때, EBL은 EBL 재료가 성능 손실 없이 초기에 브레이징되는 온도에 위험하게 가까운 적층된 열교환기 코어의 접합과 관련된 브레이징 온도를 견딜 수 있다.
EBL을 소결하는 경우에, 순수한 알루미늄 합금 3003 분말을 1185℉(641℃)에서 소결할 수 있다. 전술한 실리콘과 알루미늄의 공융 합금으로 이루어지는 브레이징 포일을 사용하여, 제어된 불활성 분위기하에서는 604℃ 내지 613℃(1120℉ 내지 1135℉)의 브레이징 온도로, 진공 환경하에서는 566℃ 내지 596℃(1050℉ 내지 1105℉)의 브레이징 온도로 코어를 함께 접합할 수 있다.
실시예 Ⅰ
83.6 중량%의 알루미늄 합금 3003 분말과, 불화 알루미늄 칼륨을 포함하는 8.4 중량%의 브레이징 플럭스와, 8.0 중량%의 알루미늄 합금 4047 브레이징 분말을 혼합하여 강화된 비등 분말을 얻었다. Clifton Adhesives사에서 CS-200 A3로서 판매하는 38 중량%의 폴리이소부틸렌과 62 중량%의 VARSOL 라이트 케로신 용제를 포함하는 접착제를 혼합하여, 알루미늄 합금 3003으로 이루어진 3개의 관벽에 솔질하였다. 그 후, 강화된 비등 분말을 접착제 상에 뿌리고, 작은 노에서 질소 분위기하에 가열하였다. 각각의 피복된 관벽을 9분 동안 621℃(1150℉)로 가열하였다. 접착제와 용제를 증발시켜, 0.3 내지 0.4 mm(10 내지 15 mils) 두께의 EBL을 남겨 두었다. 결과적인 EBL은 고다공성의 구조를 가졌으며, 204,418 kJ/hr/m2K(10,000 BTU/hr/ft2℉) 이상의 비등 열전달 계수를 갖는 것으로 측정되었다.
실시예 Ⅱ
2개의 금속 관벽을 실시예 1에서 설명한 바와 같이 접착제와 강화된 비등 분말로 피복하였다. 각각의 관벽을 대략 대기압의 폐쇄 증류기 내에서 제어된 질소 분위기하에서 623℃(1153℉)의 브레이징 온도로 가열한 후, 냉각시켰다.
48분의 주기에 걸쳐 제1의 금속 관벽을 가열하고 냉각하였다. 제1의 금속 관벽을 테스트한 결과로, 204,418 KJ/hr/m2K(10,000 BTU/hr/ft2℉) 이상의 열전달 계수를 갖는 것으로 측정되었는데, 이는 EBL을 갖는 표면에 대하여 적합한 것 이상이다. 그 후, 제1의 금속 관벽을 제2 노로 보내어, 그 관벽을 593℃(1100℉)의 온도로 가열하고, 냉각 전에 24시간 동안 그 온도로 방치함으로써 전체 열교환기 코어의 진공 브레이징을 모의 실험하였다. 시각적 검사로부터 EBL의 품질이 영향을 받지 않는다는 것을 알았다. 제1의 금속 관벽을 다시 테스트한 결과, 204,418 KJ/hr/m2K(10,000 BTU/hr/ft2℉) 이상의 열전달 계수를 갖는 것으로 측정되었다.
36분의 주기에 걸쳐 제2의 금속 관벽을 가열하고 냉각하였다. 제2의 금속 관벽을 테스트한 결과로, 204,418 KJ/hr/m2K(10,000 BTU/hr/ft2℉) 이상의 열전달 계수를 갖는 것으로 측정되었는데, 이는 EBL을 갖는 표면에 대하여 적합한 것 이상이다. 그 후, 제2의 금속 관벽을 제2 노로 보내어, 그 관벽을 613℃(1135℉)의 온도로 가열하고, 냉각 전에 대기압의 질소 분위기하에서 2시간 동안 그 온도로 방치함으로써 전체 열교환기 코어의 제어된 분위기하에서의 브레이징을 모의 실험하였다. 시각적 검사로부터 EBL의 품질이 영향을 받지 않는다는 것을 알았다. 제2의 금속 관벽을 다시 테스트한 결과, 204,418 KJ/hr/m2K(10,000 BTU/hr/ft2℉) 이상의 비등 열전달 계수를 갖는 것으로 측정되었다. EBL을 EBL의 브레이징 온도로부터 8.3℃(15℉)의 온도로 가열한 후에, EBL의 구조는 구조 또는 성능에 대한 현저한 손실 없이 열처리를 견디어냈다.

Claims (10)

  1. 열교환기(10)에 있어서,
    함께 일체로 접합되고 비등 측면에 야금 접합되는 브레이징된 열전도성 입자를 포함하는 다공성의 강화된 비등층(46)이 있는 비등 측면(44a)과 냉각 측면(44b)의 2개의 측면을 각각 구비하는 복수 개의 금속벽(44)으로서, 이 복수 개의 금속벽의 비등 측면은 비등 통로(12)를 형성하고 복수 개의 금속벽의 냉각 측면은 냉각 통로(14)를 형성하며, 복수 개의 금속벽은 접합면(48)을 각각 더 포함하는 것인 복수 개의 금속벽과,
    상기 금속벽(44)을 서로로부터 일정 간격을 두게 하는 스페이서 부재(42)와,
    상기 금속벽(44)의 접합면(48)과 열교환기(10)의 스페이서 부재(42) 사이에 위치하며, 상기 강화된 비등층(46)의 용융 온도보다 낮은 용융 온도를 갖는 금속층과,
    상기 비등 통로(12)에 액체를 운반하는 비등 입구(51)와,
    상기 냉각 통로(14)에 유체를 운반하는 냉각 입구(50)와,
    상기 비등 통로(12)로부터 증기를 회수하는 비등 출구(49)와,
    상기 냉각 통로(14)로부터 유체를 회수하는 비등 출구(64)
    를 구비하는 열교환기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속벽(44)은 주로 알루미늄으로 이루어지는 것인 열 교환기
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열전도성 입자는 주로 알루미늄으로 이루어지는 것인 열교환기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강화된 비등층(46)은 0.5 내지 1.5 중량%의 실리콘을 포함하는 것인 열교환기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강화된 비등층(46)은 알루미늄과 실리콘의 공융 합금과 혼합되는, 고도로 조화된 알루미늄 합금 분말을 포함하는 것인 열교환기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 고도로 조화된 알루미늄 합금은 강화된 비등층(46) 중 92 중량%를 구성하고, 상기 공융 합금은 강화된 비등층(46) 중 8 중량%를 구성하는 것인 열교환기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비등 측면(44a)은 약 204,418 kJ/hr/m2/K의 비등 열전달 계수를 갖는 것인 열교환기.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공융 합금은 12 중량%의 실리콘과 88 중량%의 알루미늄인 것인 열교환기.
  9. 85 중량% 이상의 알루미늄을 구비하는 금속 합금과, 10 내지 15 중량%의 실리콘과 80 중량% 이상의 알루미늄의 공융 합금을 포함하는 조성물.
  10. 열교환기(10)의 제조 방법으로서,
    비등 측면(44a)과, 냉각 측면(44b)과, 하나 이상의 접합면(48)을 갖는 복수 개의 금속벽(44)을 마련하는 단계와,
    상기 복수 개의 금속벽(44)의 비등 측면(44a)에 열전도성 입자를 부착시키는 단계와,
    상기 열전도성 입자가 부착된 금속벽(44)을 제1 온도로 가열하여 열전도성 입자들을 함께 일체로 접합하고, 브레이징에 의해 상기 열전도성 입자를 금속벽에 야금 접합시켜 다공성의 강화된 비등면(46)을 형성하는 단계와,
    상기 복수 개의 금속벽(44)을 스페이서 부재(42)와 조립하여, 상기 복수 개의 금속벽의 비등 측면(44a)이 비등 통로(12)를 형성하고 상기 복수 개의 금속벽의 냉각 측면(44b)이 냉각 통로(14)를 형성하게 하며, 상기 금속벽의 접합면(48)과 상기 스페이서 부재(42)의 인접한 표면 사이에 금속층을 마련하는 단계와,
    상기 조립체를 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 가열하여, 강화된 비등층의 기공율을 유지하면서 금속층을 상기 스페이서 부재(42)의 인접한 표면과 금속벽 (44)의 비등면(48) 중 하나 이상에 접합하는 단계
    를 포함하는 열교환기의 제조 방법.
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